PhD DISSZERTÁCIÓ TÉZISEI

Átírás

1 Budapesti Muszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizikai Kémia Tanszék MTA-BME Lágy Anyagok Laboratóriuma PhD DISSZERTÁCIÓ TÉZISEI Mágneses tér hatása kompozit gélek és elasztomerek rugalmasságára Készítette: Varga Zsolt Tamás Témavezeto: Dr. Zrínyi Miklós tanszékvezeto, egyetemi tanár Budapest 2005

2 Bevezetés A szerkezeti anyagok választékának bovülése és az új felhasználó igények megjelenése indította el a funkcionális anyagok kutatását. Külön figyelmet kaptak azok a polimerek, melyeknek fizikokémiai tulajdonságait külso mágneses vagy elektromos térrel szabályozhatjuk. A BME Fizikai Kémia Tanszéken a Lágy Anyagok Laboratóriumának kutatócsoportja, Dr. Zrínyi Miklós Professzor úr vezetésével egy újfajta kompozitot fejlesztett ki, a mágneses polimergélt. Ebben a kompozitban a nagy rugalmas tulajdonságú polimer mátrix nano vagy mikro méretu mágneses részecskéket tartalmaz. Az alkalmasan megválasztott mágneses tér segítségével nyújtható, hajlítható, forgatható és összehúzható. A csoport munkájába bekapcsolódva a doktori munkám fo célja annak a kérdésnek a megválaszolása, hogy milyen mértékben növelheto a mágneses izodimenziós töltoanyagot tartalmazó poli(dimetil-sziloxán) elasztomer rugalmassági modulusza statikus mágneses tér hatására. Ennek érdekében különbözo mágneses tulajdonságú töltoanyag és térhálósító tartalom mellett állítottam elo izotrop és

3 anizotrop elasztomereket. Az eltéro töltoanyag tulajdonságok vizsgálata érdekében az elasztomerekhez karbonil-vas vagy Fe 3 O 4 részecskéket adagoltam. Szisztematikusan vizsgáltam a mágneses tér hatására bekövetkezett rugalmassági modulusz változást a különbözo mérési elrendezések mellett, amelyek a mágneses tér irányának, az anizotrop mintákban a részecske aggregátumok irányának és a deformáció irányának egymáshoz viszonyított helyzetekbol következnek Kísérleti módszerek A mágneses térben történo rugalmassági modulusz méréshez két muszert fejlesztettem ki, melynek sematikus rajza a következo: mérokar minta mágnes mérleg

4 A rugalmassági moduluszt a neo-hooke egyenlet segítségével határoztam meg: ahol σ n Fx 1 = = G( λx ) A λ 0 σ n a nominális feszültség, F x az x tengely mentén a deformáló ero, A 0 a mintának erre az erore meroleges deformálatlan felülete, G a rugalmassági modulusz és a λ x az x tengely irányában mért deformációs arány. 2 x Új tudományos eredmények 1. Karbonil-vas és Fe 3 O 4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó izotrop és anizotrop elasztomereket állítottam elo. Megállapítottam, hogy a mágneses tér hatására bekövetkezo rugalmassági modulusz növekedés nagymértékben függ az ero és a mágneses tér irányától, valamint az elasztomerekben kialakult részecskeszerkezettol. (Anizotrop esetben ennek irányától és a külso homogén mágneses tér irányától.)

5 2. Karbonil-vas és Fe 3 O 4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó izotrop elasztomerek rugalmassági moduluszát vizsgálva megállapítottam, hogy karbonil-vas esetében, amikor az ero iránya meroleges a külso homogén mágneses tér irányára, akkor a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés nagyobb mint, amikor a két irány egymással párhuzamos. Fe 3 O 4 részecskéket tartalmazó izotrop elasztomerek esetében a rugalmassági modulusz növekedés - ellentétben a karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó elasztomerekkel - abban az esetben a nagyobb, amikor az ero irány és a mágnes tér iránya egymással párhuzamos. A különbség a részecskék eltéro mágneses és határfelületi tulajdonságaira vezetheto vissza. 3. Karbonil-vas és Fe 3 O 4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó anizotrop elasztomereket vizsgálva megállapítottam, hogy ha az ero iránya meroleges az elasztomerekben kialakult részecskeszerkezet irányára, akkor a külso homogén mágneses tér hatására a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés abban az esetben a legnagyobb, amikor a mágneses tér iránya párhuzamos a részecskeszerkezet irányával. A legkisebb abban az esetben, amikor a mágneses tér iránya meroleges a kialakult részecske aggregátumok irányára és meroleges az ero irányra is.

6 4. Karbonil-vas és Fe 3 O 4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó anizotrop elasztomerek vizsgálatánál megállapítottam, hogy ha az ero irány párhuzamos az elasztomerekben kialakult részecskeszerkezet irányával, akkor a mágneses tér hatására a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés abban az esetben a legnagyobb, amikor a mágneses tér iránya párhuzamos az ero irányával. Megállapítottam, hogy az összes irány közül is ebben az esetben a legnagyobb a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés. 5. Megállapítottam, hogy karbonil-vas részecskéket tartalmazó elasztomerek részecskeszerkezettel párhuzamos deformációja során, kis deformációnál a láncszeru részecskeszerkezet megtörik az adott mintára jellemzo deformációs értéknél. Fe 3 O 4 (Bayferrox 318M) töltoanyag esetében ez a törés nem következik be, hanem nagyobb deformációnál a kialakult aggregátum láncok elhajlanak. 6. Összefüggést vezettem le a karbonil-vas és Fe 3 O 4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó izotrop és anizotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának mágneses tértol való függésére. A mért rugalmassági modulusz adatok a levezetett

7 összefüggés segítségével a kísérleti hibahatáron belül kielégítoen leírhatók. 7. Vizsgáltam a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedést ( GM, ) a töltoanyag tartalom koncentrációjának a függvényében (5-30 m/m%). Megállapítottam, hogy a kísérleti hibán belül ez az összefüggés lineáris. A növekedés mértéke függ a térhálósító tartalomtól, az ero irányától, elasztomerekben kialakult részecskeszerkezettol, anizotrop esetben ennek irányától és a külso homogén mágneses tér irányától. Lehetséges gyakorlati felhasználás Megállapítottam, hogy a mágneses kompozitok rugalmassági modulusza növelheto külso mágneses tér segítségével. Ez az ideiglenes megerosítés addig tart, míg az elasztomerre hat a külso mágneses tér. A tér megszüntetésével az elasztomer visszanyeri a rugalmassági moduluszát. Az elmúlt idoben intenzív kutatási területté vált az úgynevezett intelligens lengéscsillapítók kifejlesztése, ahol a

8 muködés közben valamilyen külso hatások idézik elo csillapítás mértékének a változását. A kísérleti tapasztalatok és a vizsgálatok alapján ezek a mágneses polimer gélek alkalmasak - külso mágneses tér segítségével - a különbözo mértéku lengéscsillapításra. Közlemények jegyzéke A dolgozat alapjául szolgáló közlemények 1. Zsolt Varga, József Fehér,Genovéva Filipcsei and Miklós Zrínyi: Smart Nanocomposite Polymer Gels Macromolecular Symposia, 200, (2003) 2. Zsolt Varga, Genovéva Filipcsei, Miklós Zrínyi: Smart Composites with Controlled Anisotropy Polymer, 46 (18), (2005) 3. Zsolt Varga, Genovéva Filipcsei, András Szilagyi and Miklós Zrínyi: Electric and Magnetic Field Structured Smart Composites Macromolecular Symposia,, 227, (2005) 4. Zsolt Varga, Genovéva Filipcsei and Miklós Zrínyi: Magnetic Field Sensitive Functional Elasztomers with Tuneable Elastic Modulus Polymer, (közlésre beküldve: március 18.)

9 A dolgozat témáját nem érinto egyéb közlemények: 5. Varga Zsolt, Filipcsei Genovéva, Zrínyi Miklós: A XXI. század új kihívása: Az intelligens anyag (elso rész), Természet Világa szeptember Fehér József, Szilágyi András, Varga Zsolt, Filipcsei Genovéva és Zrínyi Miklós: Elektromos térre érzékeny folyadékok és elasztomerek I. Magyar Kémiai Folyóirat (elfogadva) Konferencia eloadások jegyzéke: 1. Varga Zsolt, Zrínyi M.: Különleges Tulajdonságú Szilikon Elasztomerek és Vizsgálatuk INSTRON Nap, Miskolctapolca, április Varga Zsolt: Intelligens polimer kompozitok kontrollált anizotrópiával Vegyészmérnöki Kar 2. doktoráns konferencia, november 24.